Python 單元：運算子（Operators） – 身分運算子（`is` / `is not`）

簡介

在 Python 中，身分運算子 is 與 is not 用來判斷兩個變數 是否指向同一個物件。這與比較運算子 ==、!= 不同，後者比較的是「值」是否相等，而不是「記憶體位址」是否相同。
了解 is 的行為對於除錯、記憶體管理以及撰寫正確的條件判斷相當重要，尤其在處理 singleton（單例）物件（例如 None、True、False）或自訂類別時，常會用到身分比較。

本篇文章將從概念說明、實作範例、常見陷阱到最佳實踐，一步步帶你掌握 is / is not 的正確使用方式，讓你在實務開發中能夠寫出更安全、更易讀的程式碼。

核心概念

1. 什麼是「身分」比較？

身分（identity）：指的是 物件在記憶體中的唯一位置（即 id() 的返回值）。
a is b → True 當且僅當 id(a) == id(b)。
a is not b → True 當且僅當 id(a) != id(b)。

範例

a = [1, 2, 3]
b = a          # b 直接指向 a 的同一個 list 物件
c = [1, 2, 3]  # 雖然內容相同，但建立了另一個獨立的 list 物件

print(a is b)   # True  (同一個物件)
print(a is c)   # False (不同物件)
print(a == c)   # True  (值相等)

2. 為什麼 `is` 常用於 `None`？

None 是 Python 的唯一「空」物件，整個執行環境只會有一個 None 實例。使用 is None 能保證判斷的是 是否真的沒有值，而非與其他等價的「偽」值（如空字串、0、空列表）混淆。

def foo(x):
    if x is None:          # 正確判斷
        print("沒有傳入參數")
    # if x == None:       # 雖然也會成立，但較不具可讀性且易誤用

3. `is` 與不可變物件的「快取」機制

對於小的整數、短字串與某些 bool，Python 會在啟動時建立 快取池（interning），使相同值的物件共享同一個身分。這會讓 is 在特定情況下看起來像是比較值，但這是實作細節，不應依賴。

a = 256
b = 256
print(a is b)   # True (因為 CPython 內部快取了 0~256 的整數)

a = 1000
b = 1000
print(a is b)   # False (超出快取範圍，各自是不同物件)

結論：對於不可變物件，仍應使用 == 來比較值，除非你明確要檢查「是否同一個實例」。

4. `is not` 的語意

is not 與 is 完全相反，常用於排除 None、避免同一個物件被重複處理等情境。

if result is not None:
    process(result)

程式碼範例

以下提供 5 個實用範例，說明 is / is not 在不同情境下的使用方式。

範例 1：判斷參數是否為 `None`（最常見的用法）

def connect(db_url: str | None):
    """
    若 db_url 為 None，使用預設的本機資料庫；否則使用指定的 URL。
    """
    if db_url is None:                # ✅ 正確的身分比較
        db_url = "sqlite:///local.db"
    print(f"Connecting to {db_url}")

connect(None)          # Connecting to sqlite:///local.db
connect("postgres://") # Connecting to postgres://

範例 2：避免在同一個物件上重複執行耗時操作

class DataCache:
    def __init__(self):
        self._data = None

    def load(self):
        if self._data is not None:          # 已經載入過，直接返回
            print("Cache hit")
            return self._data

        print("Loading data from source...")
        self._data = self._fetch_from_db()
        return self._data

    def _fetch_from_db(self):
        # 模擬耗時的 I/O
        return {"id": 1, "value": "sample"}

cache = DataCache()
cache.load()   # Loading data from source...
cache.load()   # Cache hit

範例 3：比較兩個自訂物件是否相同實例

class Node:
    def __init__(self, value):
        self.value = value

a = Node(10)
b = a                # b 與 a 指向同一個 Node
c = Node(10)         # 雖然值相同，但建立了新物件

print(a is b)        # True
print(a is c)        # False
print(a == c)        # False，除非自行實作 __eq__

小技巧：如果需要比較「結構相等」而非「同一個實例」，請實作 __eq__ 方法。

範例 4：使用 `is not` 篩選列表中的 `None`

items = [0, None, "", [], {}, None, "Python"]
# 移除所有 None，保留其他「偽」值
filtered = [x for x in items if x is not None]
print(filtered)   # [0, '', [], {}, 'Python']

範例 5：辨識單例（Singleton）模式的實作

class Singleton:
    _instance = None

    def __new__(cls):
        if cls._instance is None:          # 首次建立
            cls._instance = super().__new__(cls)
        return cls._instance

s1 = Singleton()
s2 = Singleton()
print(s1 is s2)   # True，兩者指向同一個實例

常見陷阱與最佳實踐

陷阱	說明	解決方式
把 `is` 當作值相等比較	針對可變容器（list、dict）或大部份不可變物件使用 `is` 會得到意外的 `False`。	使用 `==` 進行值比較；僅在需要判斷同一個實例時才用 `is`。
依賴整數/字串快取	小整數或短字串在 CPython 中會被快取，導致 `is` 看似正確，但在其他實作或不同範圍會失效。	不要以 `is` 來比較整數或字串的值，除非明確是 `None`、`True`、`False` 等單例。
忘記 `is not` 的優先順序	`if not x is None:` 會被 Python 解析成 `if (not x) is None:`，結果錯誤。	使用 `if x is not None:`，或加上括號 `if not (x is None):`。
自訂類別未實作 `__eq__`	只靠 `is` 判斷會把結構相等的兩個實例視為不同。	為需要值相等比較的類別實作 `__eq__`（與 `__hash__`），保留 `is` 用於單例檢測。
在多執行緒環境下檢查 `is None` 後直接使用	可能因為競爭條件，另一執行緒已將變數改為非 `None`，導致錯誤。	使用鎖（`threading.Lock`）或原子操作保證檢查與使用的原子性。

最佳實踐清單

僅在檢查單例（None、True、False、自訂 Singleton）時使用 is / is not。
比較值時使用 == / !=，並在需要時實作 __eq__。
寫條件式時，保持 is not None 的語法順序，避免 not x is None 產生歧義。
在除錯或日誌中，若想顯示物件身分，可使用 id(obj)。
對於可變容器，若想確認是否已被其他變數引用，才使用 is。

實際應用場景

1. API 回傳值的「未提供」檢查

許多 Web 框架（如 Flask、FastAPI）在解析請求參數時，會以 None 表示「未提供」的欄位。使用 is None 能快速判斷是否需要套用預設值或拋出錯誤。

@app.post("/items")
def create_item(name: str | None = None):
    if name is None:
        raise HTTPException(status_code=400, detail="name is required")
    # 正常處理...

2. 快取與懶載入（Lazy Loading）

在大型系統中，物件的建立往往代價高昂。透過 is None 判斷是否已載入，可實作 懶載入 機制，提升效能。

class LargeReport:
    def __init__(self):
        self._data = None

    @property
    def data(self):
        if self._data is None:            # 首次存取才載入
            self._data = self._expensive_query()
        return self._data

3. 單例模式（Singleton）與全域設定

許多套件會以單例方式提供全域配置（例如 logging、資料庫連線池）。檢查 is 能保證全程只產生唯一實例。

logger = logging.getLogger("myapp")
if logger is logging.getLogger("myapp"):
    # 兩者指向同一個 Logger 實例

4. 事件循環與訊號處理

在非同步程式設計中，常會用 None 代表「尚未收到訊號」或「尚未排程」。透過 is not None 可安全觸發後續流程。

async def wait_for_message(queue):
    msg = await queue.get()
    if msg is not None:
        process(msg)

總結

is / is not 比較的是物件的身分（記憶體位址），而非值。
最常見且安全的使用情境是 單例檢查（特別是 None、True、False）以及 同一個實例的辨識（如 Singleton、快取）。
千萬不要把 is 當作一般的相等比較，尤其在可變容器或跨平台開發時，快取行為會導致不一致的結果。
使用 is not None 時，請保持正確的語法順序，避免 not x is None 帶來的優先順序問題。
在需要比較「值」時，仍應使用 ==，並視需求實作 __eq__。

掌握身分運算子的正確概念與使用時機，能讓你的 Python 程式在 可讀性、效能與正確性 上都更上一層樓。祝你寫程式順利，持續探索 Python 的無限可能！

Python 單元：運算子（Operators） – 身分運算子（is / is not）

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